基本信息
- 項目名稱：
- 一種用于高性能熱塑性復合材料的麻纖維表面疏水化處理技術
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 自然科學類學術論文
- 簡介：
- 麻纖維增強熱塑性復合材料是極具潛力的新型環(huán)保的高性能結構材料，但親水性的天然纖維素纖維與疏水性的熱塑性聚合物樹脂基體的不相容性導致了此類復合材料較弱的界面粘結力，從而影響其性能。本作品首創(chuàng)地提出了用醇類預處理結合常壓等離子體處理的方法來改善麻纖維的表面性能，降低表面親水性，提高與熱塑性樹脂的粘結力，從而為制造性能優(yōu)越的麻纖維增強熱塑性復合材料解決技術難題。
- 詳細介紹：
- 苧麻纖維經(jīng)過乙醇、異丙醇和正丁醇預處理后用純氦氣常壓等離子體進行處理。處理前后纖維的表面形態(tài)、吸濕性和表面化學成分分別用掃描電子顯微鏡、接觸角測試儀和X射線光電子能譜儀進行檢測分析；纖維與熱塑性聚丙烯樹脂基體的界面剪切強力用微復合材料測試方法進行測試；單纖強力用纖維拉伸強力儀進行測試。此外，由于麻纖維吸濕性很強，進一步研究了濕度條件這種表面處理方法效果的影響，為實際應用提出重要的技術建議。
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 撰寫目的：本作品創(chuàng)新地提出并詳細介紹一種將醇類預處理與常壓等離子體處理相結合的表面處理技術，用以降低麻纖維的表面親水性，提高與疏水熱塑性樹脂的相容性，從而增強麻纖維增強熱塑性復合材料的界面粘結性能。 基本思路：介紹麻纖維經(jīng)醇類預處理后用常壓等離子體進行處理的操作流程，測試處理前后纖維的各項表面性能以及與聚丙烯樹脂的界面剪切強力，基于測試結果對此處理方法的改性機理進行系統(tǒng)全面的分析。
科學性、先進性及獨特之處
- 現(xiàn)階段多數(shù)纖維素纖維疏水化表面處理方法的效果都不理想，且常用的化學方法對環(huán)境有污染。而等離子體是環(huán)保、無水的表面改性技術，可有效產(chǎn)生清潔、刻蝕及聚合反應等作用。常壓等離子體技術具有處理時間短、靈活度高和成本低廉等優(yōu)勢。但研究表明單獨利用等離子體處理通常會使纖維表面親水性有所增加。而本作品創(chuàng)新地提出的將醇類預處理與常壓等離子體技術相結合的方法，可有效降低麻纖維表面親水性，提高復合材料的界面粘結力。
應用價值和現(xiàn)實意義
- 麻纖維增強熱塑性復合材料具有重量輕、比強度和比剛度高以及可回收利用等多項優(yōu)越性能，是最具潛力的新型結構材料，在汽車、建筑及軍事航空領域都有良好的應用前景。但面臨的最大問題是麻纖維的親水性不利于與疏水聚合物的界面粘結，從而影響其力學性能及使用壽命。本作品提出的新的處理方法，可有效降低麻纖維的親水性，且綠色環(huán)保、易于操作，可實際應用于制造性能優(yōu)越的復合材料的生產(chǎn)過程中，解決發(fā)展瓶頸，有很大的推廣價值。
學術論文摘要
- 親水的天然纖維素纖維與疏水的熱塑性聚合物樹脂基體的不相容導致了此類復合材料較弱的界面粘結力。本課題研究了如何利用常壓等離子體處理與醇類預處理結合來改變苧麻纖維表面性能，從而提高其與聚丙烯樹脂的粘結力。苧麻纖維在無水乙醇、異丙醇溶液和正丁醇溶液里分別浸泡10分鐘后，用氦氣等離子體進行處理。由于等離子的刻蝕作用，掃描電子顯微鏡顯示處理后的纖維表面粗糙度增加，這有利于與樹脂的機械鎖結。X射線光電子能譜分析儀顯示，乙醇、異丙醇預處理組纖維表面的C-C基團比例顯著增加，C-O下降；而正丁醇處理組C-C基團變化不大。接觸角測試顯示處理后纖維表面與水的接觸角變大了。微復合材料測試顯示乙醇、異丙醇和正丁醇預處理組的纖維與PP的界面剪切強力比空白組分別增加46%、47%和34%，這很可能是纖維與預處理醇類在等離子環(huán)境下發(fā)生化學反應，降低了麻纖維表面的極性和親水性，提高了纖維與PP基體的相容性。同時以乙醇實驗組為例，研究了麻纖維的回潮率（2.5，6.1和23.5%）對此方法處理效果的影響。測試結果顯示，在干燥條件下進行處理的效果最好。
獲獎情況
- 1.已發(fā)表SCI論文一篇 Hydrophobic atmospheric pressure plasma treatment of ramie fibers with ethanol pretreatment.Surface & Coatings. 205: 4205–4210 (2011) 影響因子：1.793 中國科學院情報所國外期刊分類二區(qū)頂級期刊 2.論文"Effect of alcohol pretreatment in conjunction with atmospheric pressure Plasmas on hydrophobizing ramie fiber Surfaces"已投稿"Surface & Coatings Technology". Ms. Ref. No.: SURFCOAT-D-11-01160 3.論文"Influence of absorbed moisture on surface hydrophobization of ethanol pretreated and plasma treated ramie gibers"已投稿"Surface & Coatings Technology". Ms. Ref. No.: SURFCOAT-D-11-01161 4.三篇會議論文已被ICCE-19（The Nineteenth Annual International Conference on Composites/Nano engineering，Shanghai，China，July 24-30，2011)接受； 5.已申請國家發(fā)明專利一項：一種改善苧麻纖維與熱塑性樹脂界面粘結性能的方法.專利申請?zhí)枺?0111012753.1
鑒定結果
- 審稿人#1:作者提出了新方法來克服天然纖維素纖維與熱塑性基體的界面不相容性。論文條理清晰。#2:論文介紹了在麻纖維等離子體改性方面重要的技術研究，并且做了大量有效的工作。實驗結果很有科學和技術價值。
參考文獻
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同類課題研究水平概述
- 環(huán)境惡化、資源缺乏和能源危機使得人類認識到保護環(huán)境和有效利用資源的重要性和迫切性，采用可再生生物資源來制造新材料已成為當下的熱點。麻纖維增強熱塑性復合材料由于有重量輕、比強度和比剛度高、可回收再利用等優(yōu)勢，顯示出良好的應用前景。然而其面臨的最大問題就是麻纖維的親水性不利于與疏水聚合物基體的界面粘結，從而影響復合材料的力學性能及使用壽命。 麻纖維表面改性方法主要分為物理處理法和化學改性法。物理處理方法包括蒸汽爆破法、熱處理法、低溫等離子體處理、高能射線輻射處理等。化學改性法包括堿處理，用硅烷偶聯(lián)劑等偶聯(lián)處理，乙酰化處理、氰乙基化處理以及烷基化處理等對纖維進行接枝共聚等。現(xiàn)階段多數(shù)麻纖維表面疏水化方法的處理效果都不盡如人意，或由于成本問題難以投入生產(chǎn)使用。很多化學改性方法使用污染性有機溶劑，產(chǎn)生有害物質，對環(huán)境非常不利。其中，硅烷偶聯(lián)劑處理雖然應用廣泛, 但其合成路線中需引入氯，存在較為突出的污染和設備腐蝕問題，且生產(chǎn)流程長，成本也相對高。而物理處理方法中的低溫等離子體技術是一種無水處理技術，可大幅地節(jié)水、節(jié)能、減少環(huán)境污染，同時具有反應溫度低、穿透力小、操作簡單、經(jīng)濟實用等優(yōu)點，并且已被證明可有效產(chǎn)生清潔、刻蝕、沉積及聚合反應等作用。其中的常壓等離子體處理，相對于低溫真空型等離子體表面改性來說，具有處理時間短、可連續(xù)操作、靈活度高和成本低廉等優(yōu)勢，因為它無需真空環(huán)境，此外其還可以處理含液材料。 就纖維素纖維而言，改性表面羥基基團，降低表面極性和親水性，可以提高其與疏水性聚合物的相容性。然而，很多同類研究單獨地利用氧氣、氬氣、氦氣及空氣等離子處理，結果通常會使纖維表面親水性有所增加，從界面相容性方面來看是不理想的。氟碳等離子體技術可以提高表面疏水性，但處理過程較復雜，而且氟碳氣體的使用對環(huán)境有潛在的危害。 蔣秋冉等人發(fā)現(xiàn)常壓等離子體處理不會提高經(jīng)過乙醇預處理的聚乙烯纖維的親水性。在此研究的啟發(fā)之下，本課題創(chuàng)新地提出醇類預處理與常壓等離子體相結合來處理親水性纖維素纖維的方法，可使纖維表面的纖維素分子和醇類分子在等離子處理條件下發(fā)生物理以及化學反應，從而降低麻纖維的親水性，改善其與樹脂的粘結性，進而提高所制得的復合材料的性能。這是一種綠色環(huán)保的表面處理方法，同時操作簡便，可廣泛應用于實際生產(chǎn)中。
